套管式直流蒸汽發(fā)生器汽輪機(jī)一體化控制策略

(1.連云港師范高等專科學(xué)校，江蘇 連云港 222006; 2.哈爾濱電氣股份有限公司 中央研究院，黑龍江 哈爾濱 150028; 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

一體化壓水堆蒸汽發(fā)生器位于反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)，取消主管道以及主閘閥，冷卻劑主泵直接與壓力容器相連，具有結(jié)構(gòu)簡單、自然循環(huán)能力強(qiáng)、消除主管道雙端斷裂大破口失水事故及堆芯熔化事故等優(yōu)點(diǎn)，極其適用于中小規(guī)模核電站并且完全滿足未來核電站對(duì)于安全性要求[1]。

直流蒸汽發(fā)生器是一體化壓水堆的關(guān)鍵設(shè)備，多為套管或螺旋管式，傳熱性能良好，換熱效果強(qiáng)，緊湊結(jié)構(gòu)適用于一體化布置；設(shè)備安全可靠性高[2]。水泵壓頭為直流蒸汽發(fā)生器驅(qū)動(dòng)了工質(zhì)流動(dòng)。工質(zhì)在外力驅(qū)動(dòng)下，一次流過傳熱管，并經(jīng)歷預(yù)熱、蒸發(fā)以及過熱的階段。

對(duì)比于自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器，直流蒸汽發(fā)生器的特點(diǎn)為：強(qiáng)迫流動(dòng)；無內(nèi)部水循環(huán)，給水一次流過加熱面轉(zhuǎn)為蒸汽，具有優(yōu)異的靜態(tài)特性以及機(jī)動(dòng)性能；過熱蒸汽簡化汽輪機(jī)高低壓缸之間的去濕裝置，降低汽輪機(jī)要求，并提高裝置熱效率。

直流蒸汽發(fā)生器可分為管外直流以及管內(nèi)直流。核動(dòng)力艦船多采用管內(nèi)直流，其二次側(cè)工質(zhì)流動(dòng)于管內(nèi)部。管外直流多用于壓水堆核電廠，其二次側(cè)工質(zhì)流動(dòng)于管間。直流蒸汽發(fā)生器一、二回路耦合強(qiáng)烈，具有非線性、參數(shù)時(shí)變性以及擾動(dòng)不確定的特點(diǎn)。

目前相關(guān)研究多著重于直流蒸汽發(fā)生器二次側(cè)壓力控制，通過控制出口的蒸汽壓力來實(shí)現(xiàn)出口蒸汽質(zhì)量的控制。由于直流蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)自身強(qiáng)烈的耦合特性，壓力以及水位的協(xié)調(diào)控制很難進(jìn)行。

直流蒸汽發(fā)生器可分成預(yù)熱段、膜態(tài)沸騰段、核態(tài)沸騰段以及過熱段[3]，并研究了串級(jí)控制系統(tǒng)和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)模糊控制系統(tǒng)。螺旋管直流蒸汽發(fā)生器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)由文獻(xiàn)[4]進(jìn)行了充分的研究。文獻(xiàn)[5]采用主冷卻劑平均溫度不變和二回路側(cè)蒸汽壓力不變的雙恒定運(yùn)行方案和經(jīng)典PID控制器和符合跟隨模式研究了套管蒸汽發(fā)生器的動(dòng)態(tài)特性。文獻(xiàn)[6]對(duì)于核供熱堆的大盤管直流蒸汽發(fā)生器進(jìn)行了熱工水力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究，并進(jìn)行了入口流動(dòng)阻力、運(yùn)行負(fù)荷與出口壓力對(duì)于蒸發(fā)器穩(wěn)定性的響應(yīng)分析。文獻(xiàn)[7]通過對(duì)一、二次側(cè)和傳熱管的流動(dòng)換熱過程分別建立控制方程，對(duì)B&W公司設(shè)計(jì)的直流蒸汽發(fā)生器一、二回路耦合作用下的實(shí)際工作過程進(jìn)行了數(shù)值預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[8]采用RELAP5程序，針對(duì)某陸用反應(yīng)堆套管式直流蒸汽發(fā)生器建立了集總參數(shù)分析的模型，研究了系統(tǒng)壓力、入口過冷度、入口節(jié)流等參數(shù)對(duì)流動(dòng)不穩(wěn)定性的影響。指出：增大系統(tǒng)壓力，提高入口過冷度，在一定條件下增加入口節(jié)流均有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。文獻(xiàn)[9]增加缺液區(qū)的影響，針對(duì)直流蒸汽發(fā)生器建立一維均相流模型，研究蒸干現(xiàn)象以及兩側(cè)流體各參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

1 套管式直流蒸汽發(fā)生器工作機(jī)理與基本控制策略

1.1 工作機(jī)理分析

套管式直流蒸汽發(fā)生器二回路流體受一回路流體雙面加熱，一回路流體自上而下流動(dòng)于內(nèi)管內(nèi)部以及外管外部，二次側(cè)流體由下而上流動(dòng)于內(nèi)管與外管的環(huán)形流道，并以過熱蒸汽狀態(tài)從出口流出。套管式直流蒸汽發(fā)生器的中心管和環(huán)形管外側(cè)流體同時(shí)與環(huán)形通道中的流體進(jìn)行換熱，其換熱效果也將影響環(huán)形管外側(cè)流體與環(huán)形通道中的流體的換熱。更進(jìn)一步，兩側(cè)流體熱流密度相等時(shí)換熱效果最優(yōu)[10]。

直流蒸汽發(fā)生器可初步歸納為：預(yù)熱段，沸騰段，過熱段[11]，采用集總參數(shù)法建立質(zhì)量、能量和狀態(tài)方程，選取出口參數(shù)作為集總參數(shù)偏重反映介質(zhì)參數(shù)在整個(gè)管段內(nèi)變化的結(jié)果，選取進(jìn)、出口平均參數(shù)作為集總參數(shù)偏重反映整個(gè)管段內(nèi)介質(zhì)的平均參數(shù)[10]。對(duì)于溫度以及焓值，均認(rèn)為一、二回路各段的出口參數(shù)為集總參數(shù)?？紤]到氣態(tài)密度隨壓力的變化，初步認(rèn)為沸騰段密度可用入口和出口的平均密度來表示，過熱段的密度可用其入口密度來代替整段的密度。假設(shè)蒸汽發(fā)生器數(shù)學(xué)模型按照一維模型處理；三個(gè)區(qū)域均分別看作是獨(dú)立的換熱器；同時(shí)認(rèn)為全液相流動(dòng)區(qū)域的密度為常數(shù)，對(duì)于存在氣相的區(qū)域，認(rèn)為其平均密度隨壓力變化而變；傳熱系數(shù)按常量處理。

(1)預(yù)熱段：二回路入口至飽和水，h≤hf(hf為飽和水焓值)。

一回路預(yù)熱段能量守恒方程

(1)

二回路預(yù)熱段能量守恒方程

(2)

二回路預(yù)熱段質(zhì)量守恒方程

(3)

(2)沸騰段：二回路飽和水至飽和蒸汽，0

一回路沸騰段能量守恒方程

(4)

二回路沸騰段能量守恒方程

(5)

二回路沸騰段質(zhì)量守恒方程

(6)

(3)過熱段：二回路飽和蒸汽至出口。

一回路過熱段能量守恒方程

(7)

二回路過熱段能量守恒方程

(8)

二回路過熱段質(zhì)量守恒方程

(9)

式中Q——傳熱量;

l——有效長度;

h——各截面焓值;

W——流量;

ρ——密度;

A——有效流通面積。

角標(biāo)p、s分別表示一、二回路，數(shù)字見圖1所示。直流蒸汽發(fā)生器數(shù)學(xué)模型輸入輸出如圖2所示。

圖1 套管式直流蒸汽發(fā)生器原理圖

圖2 直流蒸汽發(fā)生器數(shù)學(xué)模型圖解

1.2 直流蒸汽發(fā)生器基本控制策略設(shè)計(jì)

直流蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)基本控制策略主要包括壓力控制、水位控制以及燃水比控制。將壓力作為系統(tǒng)主控量，選擇通過二回路入口流量對(duì)二回路壓力進(jìn)行PI控制器設(shè)計(jì)。水位控制可保持蒸汽發(fā)生器水位始終在規(guī)定范圍之內(nèi)。通過控制一回路進(jìn)口溫度，可良好維持給水流量以及蒸汽流量的平衡，有效防止水位超限事故。通過燃水比控制來粗調(diào)出口蒸汽溫度。當(dāng)汽輪機(jī)閥門開度由于負(fù)荷改變而變化時(shí)，通過維持特定的燃水比控制一回路進(jìn)口溫度，堆芯功率也將隨汽輪機(jī)負(fù)荷而相應(yīng)變化。為防止汽輪機(jī)負(fù)荷變動(dòng)速率過大引起超限事故，增加壓力過低與超限保護(hù)控制器、水位過低與超限保護(hù)控制回路，均采用PI控制器設(shè)計(jì)，并采用負(fù)反饋機(jī)制。當(dāng)壓力或水位超限時(shí)，控制系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。

2 基于Min/Max規(guī)則切換的直流蒸汽發(fā)生器與汽輪機(jī)一體化控制策略

對(duì)直流蒸汽發(fā)生器和汽輪機(jī)進(jìn)行耦合協(xié)調(diào)控制可滿足直流蒸汽發(fā)生器與汽輪機(jī)同步響應(yīng)。直流蒸汽發(fā)生器與汽輪機(jī)共用此控制系統(tǒng)，此控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)汽輪機(jī)功率，保護(hù)直流蒸汽發(fā)生器以免發(fā)生壓力以及水位超限事故。

正常工況時(shí)，控制系統(tǒng)主要控制汽輪機(jī)功率；當(dāng)水位以及壓力超限時(shí)，切換到控制蒸汽發(fā)生器水位、壓力狀態(tài)，以避免水位及壓力超限，整個(gè)控制系統(tǒng)將保證直流蒸汽發(fā)生器的水位以及壓力維持在安全線附近，以提高蒸汽發(fā)生器的響應(yīng)速度。

基于Min/Max規(guī)則切換機(jī)理的直流蒸汽發(fā)生器與汽輪機(jī)一體化控制策略如圖3所示。依據(jù)是蒸汽發(fā)生器的水位以及壓力超限時(shí)以最大狀態(tài)進(jìn)行選擇，過低時(shí)以所要求的最小狀態(tài)進(jìn)行選擇?？刂菩盘?hào)選擇器是由最小選擇器以及最大選擇器所組成。最小選擇器的入口連接汽輪機(jī)功率控制系統(tǒng)、水位超限保護(hù)控制器以及壓力低限保護(hù)控制器，既保證蒸汽發(fā)生器出口蒸汽要求，又防止因汽輪機(jī)抽氣量增加致使壓力減小過低從而導(dǎo)致水位超限事故的發(fā)生；最大選擇器的入口連接最小選擇器的出口、水位低限保護(hù)控制器以及壓力超限保護(hù)控制器，可有效防止水位過低發(fā)生傳熱惡化事故以及超壓事故。最終控制信號(hào)輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)中對(duì)蒸汽發(fā)生器的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖3 直流蒸汽發(fā)生器與汽輪機(jī)一體化控制策略

此基于Min/Max切換規(guī)則的直流蒸汽發(fā)生器與汽輪機(jī)一體化控制策略既可以在直流蒸汽發(fā)生器水位以及壓力處于正常工作范圍時(shí)進(jìn)行汽輪機(jī)功率的調(diào)節(jié)，又能夠做到當(dāng)汽輪機(jī)變負(fù)荷速率過大時(shí)對(duì)于直流蒸汽發(fā)生器水位以及壓力進(jìn)行保護(hù)控制。

3 結(jié)果與分析

現(xiàn)在應(yīng)用此控制策略對(duì)汽輪機(jī)以及直流蒸汽發(fā)生器協(xié)調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制仿真。蒸汽發(fā)生器基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。在模型仿真模擬過程中，800 s之前由于汽輪機(jī)處于并網(wǎng)過程，實(shí)際功率值較小使得直流蒸汽發(fā)生器的出口蒸汽流量過小，會(huì)造成系統(tǒng)仿真不穩(wěn)定，此時(shí)對(duì)直流蒸汽發(fā)生器的出口蒸汽流量的輸入為定值3.2 kg/s，當(dāng)汽輪機(jī)完成并網(wǎng)后在使兩系統(tǒng)連結(jié)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制?，F(xiàn)在通過系統(tǒng)的實(shí)際仿真模擬來說明控制策略的工作過程。

表1蒸汽發(fā)生器基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

參數(shù)名稱基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)反應(yīng)堆功率/MW35效率0.2載熱劑入口溫度/℃354載熱劑出口溫度/℃280載熱劑入口壓力/MPa18載熱劑流量/kg·s-116.5二回路出口蒸汽溫度/℃290二回路入口給水溫度/℃260二回路蒸汽壓力/MPa6二回路入口給水流量/kg·s-14總管長/m2.2傳熱管根數(shù)/根2469套管外管徑/mm10套管內(nèi)管徑/mm8

當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷與1 500 s有所變化時(shí)，得到汽輪機(jī)與直流蒸汽發(fā)生器的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)水位以及壓力的變化情況，如圖4與圖5所示。

圖4 總水位

圖5 二回路壓力

可以看出，此工作狀態(tài)下水位發(fā)生了超限現(xiàn)象，在最開始時(shí)由于汽輪機(jī)負(fù)載要求較小，系統(tǒng)水位低于正常工作所要求的最低值，隨著與汽輪機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，水位逐漸升高，處于正常工作范圍內(nèi)，直至有所超限，最終保持在水位上限維持穩(wěn)定。同時(shí)，壓力始終都在所要求的工作范圍內(nèi)。

圖6 閥門開度控制信號(hào)1

圖7 閥門開度控制信號(hào)2

圖6與圖7對(duì)比各個(gè)輸出的閥門開度控制信號(hào)，可以明顯看出在系統(tǒng)運(yùn)行的最初400 s內(nèi)，由于系統(tǒng)水位處于低限值以下，低限保護(hù)控制器處于工作階段。之后在汽輪機(jī)與蒸汽發(fā)生器協(xié)調(diào)控制下水位處于正常工作范圍內(nèi)，汽輪機(jī)正常的功率控制器處于控制工作中。隨著汽輪機(jī)負(fù)荷的增加，水位逐漸升高直至超限(大約1 700 s時(shí))而使水位超限控制器處于工作狀態(tài)中。從此運(yùn)行實(shí)例可以看出，本文提出的基于Min/Max規(guī)則切換機(jī)理的直流蒸汽發(fā)生器與汽輪機(jī)一體化控制策略可以良好地對(duì)系統(tǒng)的水位以及壓力進(jìn)行控制，滿足系統(tǒng)的控制要求。

4 結(jié)論

本文在分析套管式直流蒸汽發(fā)生器工作機(jī)理以及基本控制策略的基礎(chǔ)上，提出的Min/Max切換規(guī)則壓力、水位保護(hù)回路的直流蒸汽發(fā)生器與汽輪機(jī)一體化控制策略。

(1)通過二回路入口流量對(duì)二回路壓力進(jìn)行控制；通過控制一回路進(jìn)口溫度，可良好維持給水流量以及蒸汽流量的平衡；通過燃水比控制來粗調(diào)出口蒸汽溫度。為防止汽輪機(jī)負(fù)荷變動(dòng)速率過大引起超限事故，增加壓力過低與超限保護(hù)控制器、水位過低與超限保護(hù)控制回路，采用負(fù)反饋機(jī)制。當(dāng)壓力或水位超限時(shí)，控制系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)對(duì)直流蒸汽發(fā)生器和汽輪機(jī)進(jìn)行耦合協(xié)調(diào)控制可滿足直流蒸汽發(fā)生器與汽輪機(jī)同步響應(yīng)。直流蒸汽發(fā)生器與汽輪機(jī)共用此控制系統(tǒng)，此控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)汽輪機(jī)功率，保護(hù)直流蒸汽發(fā)生器以免發(fā)生壓力以及水位超限事故。

正常工況時(shí)，控制系統(tǒng)主要控制汽輪機(jī)功率；當(dāng)水位以及壓力超限時(shí)，切換到控制蒸汽發(fā)生器水位、壓力狀態(tài)，以避免水位及壓力超限，整個(gè)控制系統(tǒng)將保證直流蒸汽發(fā)生器的水位以及壓力維持在安全線附近，以提高蒸汽發(fā)生器的響應(yīng)速度。